数字时钟课设报告.doc

河海大学计算机与信息学院（常州）课程设计报告题 目 数字钟及过欠压保护电路 专业、学号 自动化0862510109授课班号 238003 学生姓名 张 黎 指导教师 林善明 金纪东 完成时间 2010-07-01 摘 要 本次课程设计选题为A组类，包括：1.具有整点报时功能的数字显示时钟（数电类）2.过压、欠压保护及指示电路（模电类）。数字钟的主要原理是由32768Hz的晶振经分频后，输出稳定的秒脉冲，作为时间基准。秒计数器满60向分计数器进位，分计数器满60向小时计数器进位，小时计数器以24为一个周期。计数器的输出经译码器送到数码管，可在相应位置正确显示时、分、秒。同时，利用蜂鸣器电路实现整点报时功能。过欠压保护指示电路主要原理是当电网供电电压在正常范围时，经降压变压器及整流滤波、与双门限电压比较后，若电源工作正常，绿色发光二极管亮，电源过压、欠压，红色发光二极管亮。关键字：数字钟，晶振，计数器，译码器，数码管；双比较电路AbstractThis curriculum project selected is the type of A,including the digital clocks design and the circuit design of over-voltage under-voltage. The main principle of the digital clocks design is by the 32768Hz crystal oscillator after the frequency division, outputs the stable second pulse, takes the time reference. A second counter full 60 approach minute counter carrying, divides the counter fully 60 to approach hour counter carrying, the hour counter take 24 as one cycle. The counter output delivers the nixie tube after the decoder, may when the relevant position correct demonstration, divides, the second. Moreover also has the integral point to report time the function as well as the hour top digit zero extinguishment function. The circuit design of over-voltage under-voltage has wide protection range .It can be widely used to as a protector in the event of over-voltage ,under-voltage and the other abnormal working conditions.Key words: digital clock, crystal oscillator, counter, decoder目 录摘要2目录3第一部分：具有整点报时功能的数字显示时钟4 1.1设计目的和要求.41.1.1设计目的.41.1.2设计要求41.2基本原理及电路设计41.2.1设计总体框图41.2.2基本原理41.2.3方案设计及论证41.3电路各组成模块简述61.3.1秒信号发生器61.3.2计数电路61.3.3译码与显示电路61.3.4整点报时电路7第二部分：过压、欠压保护及指示电路8 2.1设计目的和要求.82.1.1设计目的82.1.2设计要求82.2基本原理及电路设计8 2.2.1设计总体框图.8 2.2.2方案设计及论证.82.3电路各组成模块简述.9 2.3.1双门限比较电路.9 2.3.2指示电路.10电路的调试及遇到的问题.10总结体会.10参考文献.11附录.11第一部分：具有整点报时功能的数字显示时钟1.1设计目的和要求1.1.1设计目的1) 掌握数字钟的设计，组装及调试方法2) 熟悉集成电路的使用方法1.1.2设计要求1) 时钟显示功能，能够十进制显示“时”、“分”、“秒”2) 具有整点报时功能1.2基本原理及电路设计1.2.1设计总体框图时显示器分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器分计数器秒计数器晶振分频器整点报时主体部分扩展 部分图1 数字钟设计总体框图1.2.2基本原理逻辑框图如图所示，由主体电路和扩展电路构成，分别完成数字钟的基本功能和扩展功能。主体电路由晶振电路，计数器，译码器，显示器组成。晶振电路负责产生标准的秒脉冲，作为数字钟的时间标准，送入计数器计数，计数结果通过分秒译码器显示时间。扩展电路在基本电路运行正常后才能进行扩充实现，采用译码器或与非门接到分计数器和秒计数器相应的输出端，使计数器在整点驱动蜂鸣器报时。1.2.3方案设计及论证 方案一：采用集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡，输出稳定的调频脉冲，作为时间基准。如图2所示：图2 555产生方波 方案二：采用晶振产生脉冲信号，并用逻辑集成器件CC4060和CC4013分频产生1Hz脉冲。如图3所示：图3 晶振分频电路方案论证：两个方案的设计思路整体上是一致的，都是将振荡器产生的1KHz脉冲信号分频（74LS产生标准的秒脉冲，利用计数器对固定脉冲信号计数，经过译码器译码，在数码管上正确显示。两个方案的最大区别是脉冲信号的产生。方案一采用555与RC组成的多谐振荡器产生脉冲信号，它能产生所需的信号，但信号频率精度不高，参数不好设置，且不易稳定，而在该设计中要使用标准频率的秒脉冲，用方案一不能达到此要求。方案二中的石英晶振的震荡频率稳定，操作简单，考虑到时钟的准确性，方案二要优于方案一。1.3电路各组成模块简述 1.3.1秒信号发生器 脉冲发生电路是为计时电路提供计数脉冲的，因为设计的是计时器，所以需要产生1Hz的脉冲信号。本次设计采用石英晶体振荡器和分频器构成。具体电路可由频率为f0=32768Hz=215Hz的晶振和14位二进制串行分频器CC4060及双D触发器CC4013实现。CC4060最大分频系数是214，即从CC4060上获得脉冲信号的最小频率为2Hz，为了得到秒脉冲信号，还需要经过一个二分频电路，二分频由触发器CC4013构成。见图3。 1.3.2计数电路 秒计数器和分计数器都是60进制，可分别由一级十进制和一级六进制计数器构成，采用两片74160 或CD4518完成。如图4所示，两片计数器采用同步时序的方法，均输入同一个1Hz的秒脉冲，74160完成十进制后由RCO端输出传给下一级的ENP端，而下一级的计数器采用清零法，待满59时清零，重新计数。图4 秒/分计数器而时计数器则是二十四进制，如图5所示，当计数状态为0010 0100时清零，重新计数。图5 时计数器 1.3.3译码与显示电路本设计采用共阳数码管来显示译码器74LS47（低电平有效）输出的数字，如图6所示。如果7段数码管是共阴显示电路，那就需要选用74LS48（高电平有效）译码驱动集成电路。图6 译码显示电路 1.3.4整点报时电路关于整点报时电路， 只需要等分和秒都为59时长响一声即可，所以利用与门，驱动蜂鸣器，如图7与图8所示，即可完成整点报时的作用。图7 整点报时电路图8 蜂鸣器部分第二部分：过压、欠压保护及指示电路2.1设计目的和要求2.1.1设计目的设计一个过压欠压保护及指示电路，通过输入电压与取样工作电压进行比较，来驱动警示电路。2.1.2设计要求1) 在市电电压高于或低于基准值时，进行声光报警2) 自动切断电器电源，保护用电器不被损坏2.2基本原理及电路设计2.2.1设计总体框图图1 过压、欠压保护指示电路设计总体框图2.2.2方案设计及论证方案一：如图2所示，市电电压一路由C3降压，DW稳压，VD6、VD7、C2整流滤波输出12V稳定的直流电压供给电路。另一路由VD1整流、R1降压、C1滤波，在RP1、RP2上产生约10.5V电压检测市电电压变化输入信号。门IC1A、IC1B组成过压检测电路，IC1C为欠压检测，IC1D为开关，IC1E、IC1F及压电陶瓷片YD等组成音频脉冲振荡器。三极管VT和继电器J等组成保护动作电路。红色LED1作市电过压指示，绿色管LED2作市电欠压指示。图2 方案一电路图方案二：如图3所示，图中VO点电位与输入的电网电压有关，其整流滤波后的VO与两个直流参考电压VH（高）及VL（低）在两个比较器A、B中进行比较，比较器输出电压VA、VB经二极管D5、D6组成的与门判别电路给晶体管放大电路，驱动执行电路工作，电源工作正常，绿色发光二级管亮，电源过压、欠压，红色发光二极管亮。（图中右侧驱动电路部分模拟供电情况）。图3 方案二电路图经过我们小组讨论，由于方案二电路设计简单，易于调试，所以我们选择方案二作为最终设计方案。2.3电路各组成模块简述2.3.1双门限比较电路如图4所示，lm339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用图4 lm339引脚示意图如图5所示，lm741运放电路内部电路是单运放，主要参数为：1）失调电压: 7.5mV电源电压最大22V；2）总电压: 30V ，电压增益: 86dB；3）输入阻抗: 300k；4）共模抑制比CMRR: 70dB图5 lm741引脚示意图在本次设计中，关于电压比较器部分，我们最终选择了lm339芯片，它内部有四个运放，在这一点上，比内部只有一个运放的lm741要有优势，节省了我们的元件数量（这点多亏金纪东老师在验收时的提醒，谢谢老师）。见图3对应部分。2.3.2指示电路 电源工作正常，绿色发光二级管亮，电源过压、欠压，红色发光二极管亮。见图3。电路的调试及遇到的问题我们小组在设计时主要是整点报时功能的实现有过一些波折。原来的思路是显示分、秒的四个数码管同时清零的时候整点报时，结果蜂鸣器极端不稳定，达不到预期的效果。后来我们仔细想了一下，实际生活中都是分、秒电路均显示59的时候，下一秒进位整点报时，我们立即更改，确实达到了我们预期的效果。但实际运行时，时钟的进位存在不稳定现象，但最终验收时，时钟的进位终于达到一定的稳定了。 调试时，其他一些小组普遍反应数码管只有几只亮甚至是不亮，我们想可能是因为面包板有点老旧可能有些断路，而且内部的小孔连接断接处也不是很清楚，所以我们耐心的用万用表测试可能的断接处，测试结束后，第一次运行数码管就全亮了。但输出频率很快，所以我们又想可能是晶振电路的那个模块有问题，经过仔细检查，果然非门的输入输出接反了，调整过来后，频率恢复正常，以1Hz输出，达到效果。由于我们的芯片相对较多而且面包板也相对较小，我们小组用了两块面包板。总结体会 这次数字时钟的设计、制作及调试过程真的让我受益匪浅，也十分有成就感。 首先，一件东西的设计可以有多种方案，也会出现各种各样的问题，因此在方案设计 方面，我们改了又改甚至在制作时也是边修改边制作，功夫不负有心人，调试的最终结果正是我们要的效果，我们很欣慰也很高兴。制作时，我们遵循让导线走直路尽可能平贴板面的原则，耐心谨慎地插导线，最终验收时，其他小组的成员见到我们的时钟，都赞不绝口，十分羡慕。调试时，我们小组可以说相对顺利些，没有出现太大的问题，出现的问题我们也都能及时发现和解决。 我和小组的一个成员（陈萍同学）全权负责数字钟的制作，另外两个成员负责过欠压保护电路的制作，最后我们再在一起交流原理及制作过程，因而我对数字钟相对了解些。我们甚至包夜做的它，想一鼓作气。我主要负责电路的连接，陈萍同学负责剪导线配合着，让工作顺利有序地进行着。如果没有她的配合，我一个人绝对不能这么顺利的完成数字钟的制作，这让我体会到了团队团结合作的重要性。虽然原理及原理图我们已经熟记于心了，但为了避免因为一个小小的问题导致数字钟不工作，我们借助网络，上网查阅本次设计中用到的芯片，了解它们每个管脚的对应位置及它们的功能，这无疑让我们学到了许多课外的有关电子技术的知识，激发了我对知识的渴望，这让我在提高查阅能力的同时，也提高了自学能力。尤其在看到自己整个过程全身心投入的成品成功运行出来，那种激动与高兴的心情难以言表。 最后，谢谢老师在这两周里的监督与耐心指导，通过这次理论应用到实践的过程，我们真的学到了好多，以后我们会再接再厉的，谢谢老师！参考文献1康华光，电子技术基础数字部分，高等教育出版社， 2000年6月第四版2康华光，电子技术基础模电部分，高等教育出版社， 2000年6月第四版附 录1）元